Информатика: основные понятия

Led Zeppelin 3

1970

Lp

Atlantic

Flash Gordon

1980

Soundtrack

EMI

Теперь воспринимать и использовать информацию стало гораздо удобнее. Представленная таблица является информационной моделью. Объектами, отраженными в этой модели, являются музыкальные альбомы (групп), причем все данные взаимосвязаны.

4.2 Виды структур данных

В информатике совокупность взаимосвязанных данных называется информационной структурой, или структурой данных. В нашем примере объектами модели являются музыкальные альбомы. Свойства же этих объектов находятся в столбцах таблицы («Название альбома», «Год выпуска», «Тип альбома», «Фирма»), их называют атрибутами объектов. Таким образом, каждая строка таблицы - есть совокупность атрибутов объекта. Такую строку называют записью, а столбец - полем записи.

Помимо сведений, указанных в атрибутах, табличная организация данных позволяет получить дополнительную информацию. К примеру, нетрудно узнать (в предположении, что наша табл. 1 заполнена данными):

* какая группа выпустила больше альбомов за определенный период;

* число альбомов данной группы;

* сколько имеется альбомов типа Soundtrack (музыка к фильму);

* какая фирма выпустила наибольшее число альбомов данной группы.

Табличная организация данных называется также реляционной. Кроме табличной структуры данных существуют другие виды структурной организации данных.

Для иерархических структур характерна подчиненность объектов нижнего уровня объектам верхнего уровня. Важно отметить, что в дереве, между верхними и нижними объектами, задано отношение «один ко многим» (т.е. одной группе соответствует много альбомов, одному альбому соответствует много песен).

Рис. 4.1. Пример иерархической организации данных

Несмотря на то, что в атрибутах, описывающих песню, нет названия альбома, глядя на дерево по линиям связи можно сказать, какая песня принадлежит альбому. Благодаря линиям связи можно определить принадлежность альбома группе. Из данной иерархической структуры можно узнать:

* в каком альбоме больше песен;

* число альбомов выпущенных группой;

* есть ли в альбомах одинаковые песни и т.д.

Сетевую структуру данных можно представить в виде схемы

Рис. 4.2 Пример сетевой организации данных

Глядя на рис. 2.23, можно определить, какими инструментами владеет музыкант, является ли он вокалистом. В этом случае есть два уровня взаимосвязанных объектов, но отношение между ними «многие ко многим».

Пусть в этой сетевой структуре данные о музыкантах и «инструментах» состоят из следующих атрибутов: музыкант - ФИО, рост, цвет волос, время рождения; инструмент- название инструмента, какой фирмой изготовлен инструмент.

Тогда схема позволяет ответить на следующие вопросы:

* гитары какой фирмы предпочитает большинство музыкантов;

* какой музыкант владеет наибольшим количеством инструментов и др.

Построение структуры данных происходит в следующем порядке:

* определяются объекты описания;

* определяются структуры этих объектов;

* выбирается тип структуры, отображающий отношения между объектами (табличная, иерархическая, сети);

* строится конкретная информационная структура.

4.3 Виды баз данных

Дадим основное определение. База данных - это реализованная с помощью компьютера информационная структура (модель), отражающая состояние объектов и их отношения.

Следует учесть, что это определение не является единственно возможным. Информатика в отношении определений чаще всего не похожа на математику с ее полной однозначностью. Если подойти к понятию «база данных» с чисто пользовательской точки зрения, то возникает другое определение: база данных - совокупность хранимых операционных данных некоторого предприятия.

Поскольку основу любой базы данных составляет информационная структура, базы данных делят на три рассмотренные выше типа: табличные (реляционные), сетевые, иерархические.

Опыт использования баз данных позволяет выделить общий набор их рабочих характеристик:

* полнота - чем полнее база данных, тем вероятнее, что она содержит нужную информацию (однако, не должно быть избыточной информации);

* правильная организация - чем лучше структурирована база данных, тем легче в ней найти необходимые сведения;

* актуальность - любая база данных может быть точной и полной, если она постоянно обновляется, т.е. необходимо, чтобы база данных в каждый момент времени полностью соответствовала состоянию отображаемого ею объекта;

* удобство для использования - база данных должна быть проста и удобна в использовании и иметь развитые методы доступа к любой части информации.

Соответственно возможностям организации реляционных, иерархических и сетевых информационых структур, существуют и аналогичные виды баз данных. В них данные представлены в формах, адекватных соответствующим структурам. Однако иерархические и сетевые базы данных являются гораздо менее распространенными, чем реляционные и не могут быть реализованы с помощью наиболее популярных СУБД.

4.4 Состав и функции систем управления базами данных

База данных предполагает наличие комплекса программных средств, обслуживающих эту базу данных и позволяющих использовать содержащуюся в ней информацию. Такие комплексы программ называют СУБД. СУБД - это программная система, поддерживающая наполнение и манипулирование данными, представляющими интерес для пользователей при решении прикладных задач. Иными словами, СУБД является интерфейсом между базой данных и прикладными задачами.

Ниже перечислены основные функции СУБД.

1. Определение данных - определить, какая именно информация будет храниться в базе данных, задать свойства данных, их тип (например, число цифр или символов), а также указать, как эти данные связаны между собой. В некоторых случаях есть возможность задавать форматы и критерии проверки данных.

2. Обработка данных - данные могут обрабатываться самыми различными способами. Можно выбирать любые поля, фильтровать и сортировать данные. Можно объединять данные с другой, связанной с ними, информацией и вычислять итоговые значения.

3. Управление данными - можно указать, кому разрешено знакомиться с данными, корректировать их или добавлять новую информацию. Можно также определять правила коллективного доступа.

Архитектурно СУБД состоит из двух основных компонентов; языка описания данных (ЯОД), позволяющего создать схему описания данных в базе, и языка манипулирования данными (ЯМД), выполняющего операции с базой данных (наполнение, обновление, удаление, выборку информации). Данные языки могут быть реализованы в виде тренажеров или интерпретаторов. Помимо ЯОД и ЯМД к СУБД следует отнести средства (или языки) подготовки отчетов (СПО), позволяющие подготовить сводки (отчеты) на основе информации, найденной в базе данных, по заданным формам.

Язык манипулирования данными SQL

Рассмотрим в качестве примера языка манипулирования данными некоторые команды языка SQL (от английских слов Structured Query Language), ставшего классическим языком реляционных баз данных.

Простейшая операция выборки представляется командой SELECT - FROM -WHERE (выбрать - из - где):

select <список атрибутов>

from <отношение>

where <условие>.

Помимо слов select, from, where в команде выборки можно использовать и другие служебные слова, например:

order by <атрибут> asc - определяет сортировку результата выборки

в порядке возрастания (asc) или убывания (desc)

значения атрибута;

group by <атрибут1> - группирует данные по значениям атрибута;

having set <атрибут2>

minus - операция вычитания множеств (данных выборок).

Помимо команды выборки select, язык SQL имеет команды, позволяющие обновлять данные (update), вставлять (insert) и удалять (delete). Например, если студенты переводятся со 2-го курса на третий, информацию можно обновить командой

update Студент

set Kypc=3

where Kypc=2.

Если атрибут «Семенов С.С.» сдал экзамен по информатике на «5» 15 января 1996 г. преподавателю Петрову П.П., то информация об этом может быть добавлена в таблицу «Успеваемость» командой

insert inio Успеваемость:

<«Семенов С.С.», «Информатика», 5,15/01/96, Петров П.П.>.

Оператор insert может быть использован для включения одной строки (как в этом примере) или произвольного числа строк, определенных списком кортежей, заключенных в скобки, или операций выборки select из какой-либо другой таблицы. Команда delete используется для удаления информации из таблицы. Например,

delete Успеваемость

where Оценка=2

позволяет удалить информацию о студентах, получивших 2 (в случае их отчисления).

Существенно расширяют возможности языка библиотечные функции, такие как count (подсчет), sum (суммирование), avg (среднее), max и min.

Например, подсчитать число студентов в таблице «Студент»: select count (*) from Студент.

4.5 Система управления базами данных Microsoft Access

Access - в переводе с английского означает «доступ». MS Access - это функционально полная реляционная СУБД. Кроме того, MS Access одна из самых мощных, гибких и простых в использовании СУБД. В ней можно создавать большинство приложений, не написав ни единой строки программы, но если нужно создать нечто очень сложное, то на этот случай MS Access предоставляет мощный язык программирования - Visual Basic Aplication.

Популярность СУБД Microsoft Access обусловлена следующими причинами:

* Access является одной из самых легкодоступных и понятных систем как для профессионалов, так и для начинающих пользователей, позволяющая быстро освоить основные принципы работы с базами данных;

* система имеет полностью русифицированную версию;

* полная интегрированность с пакетами Microsoft Office: Word, Excel, Power Point, Mail;

* идеология Windows позволяет представлять информацию красочно и наглядно;

* возможность использования OLE технологии, что позволяет установить связь с объектами другого приложения или внедрить какие-либо объекты в базу данных Access;

* технология WYSIWIG позволяет пользователю постоянно видеть все результаты своих действий;

* широко и наглядно представлена справочная система;

* существует набор «мастеров» по разработке объектов, облегчающий создание таблиц, форм и отчетов.

К основным объектам Access относятся таблицы, запросы, формы, отчеты, макросы и модули.

Таблица - это объект, который определяется и используется для хранения данных. Каждая таблица включает информацию об объекте определенного типа. Как уже известно, таблица содержит поля (столбцы) и записи (строки). Работать с таблицей можно в двух основных режимах: в режиме конструктора и в режиме таблицы.

В режиме конструктора задается структура таблицы, т.е. определяются типы, свойства полей, их число и названия (заголовки столбцов). Он используется, если нужно изменить структуру таблицы, а не хранящиеся в ней данные. В этом режиме каждая строка верхней панели окна соответствует одному из полей определяемой таблицы.

Режим таблицы используется для просмотра, добавления, изменения, простейшей сортировки или удаления данных. Чтобы перейти в режим таблицы, надо дважды щелкнуть мышью по имени нужной таблицы в окне базы данных (или, выделив в окне БД имя нужной таблицы, воспользоваться кнопкой открытого окна БД).

Из режима конструктора перейти в режим таблицы можно, щелкнув по кнопке таблицы на панели инструментов.

В режиме конструктора и в режиме таблицы перемещение между полями осуществляется с помощью клавиши ТАВ, а также вверх или вниз по записям с помощью клавиш, но в большинстве случаев пользоваться мышью гораздо удобнее.

Вследствие того, что в таблицах, как правило, содержится большое количество записей, размещение всех их на экране невозможно. Поэтом) для перемещения по таблице используют полосы прокрутки, расположенные в нижней и правой части окна. Левее нижней полосы прокрутки выводится номер текущей записи и общее число записей таблицы. Для перехода к записям с нужным номером необходимо активизировать поле Номера записи, щелкнув по нему, или нажать клавишу F5, после чего набрать на клавиатуре новый номер записи и затем нажать клавишу <Enter>.

Запрос - это объект, который позволяет пользователю получить нужные данные из одной или нескольких таблиц. Можно создать запросы на выбор, обновление, удаление или на добавление данных. С помощью запросов можно создавать новые таблицы, используя данные уже существующих одной или нескольких таблиц.

По сути дела, запрос - это вопрос, который пользователь задает Access о хранящейся в базе данных информации. Работать с запросами можно в двух основных режимах: в режиме конструктора и в режиме таблицы.

Здесь надо вспомнить о том, что ответы на запросы получаются путем «разрезания» и «склеивания» таблиц по строкам и столбцам, и что ответы будут также иметь форму таблиц. В режиме конструктора формируется вопрос к базе данных.

Форма - это объект, в основном, предназначенный для удобного ввода отображения данных. Надо отметить, что в отличие от таблиц, з формах не содержится информации баз данных (как это может показаться на первый взгляд). Форма - это всего лишь формат (бланк) показа данных на экране компьютера. Формы могут строиться только на основе таблиц или запросов. Построение форм на основе запросов позволяет представлять в них информацию из нескольких таблиц.

В форму могут быть внедрены рисунки, диаграммы, аудио (звук) и видео (изображение).

Режимы работы с формой:

*режим формы используется для просмотра и редактирования данных; предоставляет дружественную среду для работы с данными и удобный дизайн их представления на экране;

*режим конструктора форм необходим, если необходимо изменить определение

формы (структуру или шаблон формы, а не представленные в ней данные), надо открыть форму в режиме конструктора;

*режим таблицы позволяет увидеть таблицу, включающую все поля формы; чтобы переключиться в этот режим при работе с формой, надо нажать кнопку таблицы на панели инструментов.

Отчет - это объект, предназначенный для создания документа, который впоследствии может быть распечатан или включен в документ другого приложения. Отчеты, как и формы, могут создаваться на основе запросов и таблиц, но не позволяют вводить данные.

Режимы работы с отчетом:

Режим предварительного просмотра позволяет увидеть отчет таким, каким он будет воплощен при печати. Для того чтобы открыть отчет в режиме предварительного просмотра,надо

* щелкнуть по вкладке Отчеты,

* кнопкой выбрать необходимый отчет в окне базы данных;

* щелкнуть по кнопке Просмотра.

Режим конструктора предназначен для изменения шаблона (структуры отчета).

Макрос - это объект, представляющий собой структурированное описание одного или нескольких действий, которые должен выполнить Access в ответ на определенное событие. Например, можно определить макрос, который в ответ на выбор некоторого элемента в основной форме открывает другую форму. С помощью другого макроса можно осуществлять проверку значения некоторого поля при изменении его содержания. В макрос можно включить дополнительные условия для выполнения или невыполнения тех или иных включенных в него действии. Возможно также из одного макроса запустить другой макрос или функцию модуля.

Работа с формами и отчетами существенно облегчается за счет использования макрокоманд. В MS Access имеется свыше 40 макрокоманд, которые можно включать в макросы. Макрокоманды выполняют такие действия, как открытие таблиц и форм, выполнение запросов, запуск других макросов, выбор опций из меню, изменение размеров открытых окон и т.п. Макрокоманды позволяют нажатием одной (или нескольких одновременно) кнопки выполнять комплекс действий, который часто приходится выполнять в течение работы. С их помощью можно даже осуществлять запуск приложений, поддерживающих динамический обмен данных (DDE), например MS Excel, и производить обмен данными между вашей базой данных и этими приложениями. Один макрос может содержать несколько макрокоманд. Можно также задать условия выполнения отдельных макрокоманд или их набора.

Модуль - объект, содержащий программы на MS Access Basic, которые позволяют разбить процесс на более мелкие действия и обнаружить те ошибки, которые невозможно было бы найти с использованием макросов.

5. Понятие об информационном моделировании

5.1 Моделирование как метод решения прикладных задач

С точки зрения информатики, решение любой производственной или научной задачи описывается следующей технологической цепочкой: «реальный объект -модель - алгоритм - программа - результаты - реальный объект». В этой цепочке очень важную роль играет звено «модель», как необходимый, обязательный этап решения этой задачи. Под моделью при этом понимается некоторый мысленный образ реального объекта (системы), отражающий существенные свойства объекта и заменяющий его в процессе решения задачи.

Модель - очень широкое понятие, включающее в себя множество способов представления изучаемой реальности. Различают модели материальные (натурные) и идеальные (абстрактные). Материальные модели основываются на чем-то объективном, существующем независимо от человеческого сознания (каких-либо телах или процессах). Материальные модели делят на физические (например авто- и авиамодели) и аналоговые, основанные на процессах, аналогичных в каком-то отношении изучаемому (например, процессы в электрических цепях оказываются аналогичными многим механическим, химическим, биологическим и даже социальным процессам и могут быть использованы для их моделирования). Границу между физическими и аналоговыми моделями провести можно весьма приблизительно и такая классификация моделей носит условный характер.

Еще более сложную картину представляют идеальные модели, неразрывным образом связанные с человеческим мышлением, воображением, восприятием. Среди идеальных моделей можно выделить интуитивные модели, к которым относятся, например, произведения искусства - живопись, скульптура, литература, театр и т.д., но единого подхода к классификации остальных видов идеальных моделей нет. Иногда эти модели все разом относят к информационным. В основе такого подхода лежит расширительное толкование понятия «информация»: «информацией является почти все на свете, а может быть, даже вообще все». Такой подход является не вполне оправданным, так как он переносит информационную природу познания на суть используемых в процессе моделей - при этом любая модель является информационной. Более продуктивным представляется такой подход к классификации идеальных моделей, при котором различают следующие.

1. Вербальные (текстовые) модели. Эти модели используют последовательности предложений на формализованных диалектах естественного языка для описания той или иной области действительности (примерами такого рода моделей являются милицейский протокол, правила дорожного движения, настоящий учебник).

2. Математические модели - очень широкий класс знаковых моделей (основанных на формальных языках над конечными алфавитами), широко использующих те или иные математические методы. Например, можно рассмотреть математическую модель звезды. Эта модель будет представлять собой сложную систему уравнений, описывающих физические процессы, происходящие в недрах звезды. Математической моделью другого рода являются, например, математические соотношения, позволяющие рассчитать оптимальный (наилучший с экономической точки зрения) план работы какого-либо предприятия.

3. Информационные модели - класс знаковых моделей, описывающих информационные процессы (возникновение, передачу, преобразование и использование информации) в системах самой разнообразной природы.

Граница между вербальными, математическими и информационными моделями может быть проведена весьма условно; возможно, информационные модели следовало бы считать подклассом математических моделей. Однако, в рамках информатики как самостоятельной науки, отдельной от математики, физики, лингвистики и других наук, выделение класса информационных моделей является целесообразным. Информатика имеет самое непосредственное отношение и к математическим моделям, поскольку они являются основой применения компьютера при решении задач различной природы: математическая модель исследуемого процесса или явления на определенной стадии исследования преобразуется в компьютерную (вычислительную) модель, которая затем превращается в алгоритм и компьютерную программу.

Рис. 5.1. Обобщенная схема компьютерного математического моделирования

5.2 Основные понятия информационного моделирования

Остановимся на информационных моделях, отражающих процессы возникновения, передачи, преобразования и использования информации в системах различной природы. Начнем с определения простейших понятий информационного моделирования.

Экземпляром будем называть представление предмета реального мира с помощью некоторого набора его характеристик, существенных для решения данной информационной задачи (служащей контекстом построения информационной модели). Множество экземпляров, имеющих одни и те же характеристики и подчиняющиеся одним и тем же правилам, называется объектом.

Информационная модель какой-либо реальной системы состоит из объектов. Каждый объект в модели должен быть обеспечен уникальным и значимым именем (а также идентификатором, служащим ключом для указания этого объекта, связи его с другими объектами модели). Таким образом обозначение, наименование объекта -это элементарная процедура, лежащая в основе информационного моделирования.

Объект представляет собой один типичный (но неопределенный) экземпляр чего-то в реальном мире и является простейшей информационной моделью. Объекты представляют некие «сущности» предметов реального мира, связанные с решаемой задачей.

Большинство объектов, с которыми приходится встречаться, относятся к одной из следующих категорий:

Реальный объект - это абстракция физически существующих предметов. Например, на автомобильном заводе это кузов автомобиля, двигатель, коробка передач; при перевозке грузов это контейнер, средство перевозки.

Роль - абстракция цели или назначения человека, части оборудования или учреждения (организации). Например, в университете как в учебном заведении это студент, преподаватель, декан; в университете как в учреждении это приемная комиссия, отдел кадров, бухгалтерия, деканат.

Событие - абстракция чего-то случившегося. Например, поступление заявления от абитуриента в приемную комиссию Университета, сдача (или несдача) экзамена.

Взаимодействия - объекты, получаемые из отношений между другими объектами. Например, сделка, контракт (договор) между двумя сторонами, свидетельство об образовании, выдаваемое учебным заведением его выпускнику.

Объекты-спецификации используются для представления правил, стандартов или критериев качества. Например, перечень знаний, умений и навыков выпускника математического факультета, рецепт проявления фотопленки.

Для каждого объекта должно существовать его описание - короткое информационное утверждение, позволяющее установить, является некоторый предмет экземпляром объекта или нет. Например, описание объекта «Абитуриент университета» может быть следующим: человек в возрасте до 35 лет, имеющий среднее образование, подавший в приемную комиссию документы и заявление о приеме.

Предметы реального мира имеют характеристики (такие, например, как имя, название, регистрационный номер, дата изготовления, вес и т.д.). Каждая отдельная характеристика, общая для всех возможных экземпляров объекта, называется атрибутом. Для каждого экземпляра атрибут принимает определенное значение. Так, объект Книга имеет атрибуты Автор, Название, Год издания. Число страниц.

У каждого объекта должен быть идентификатор - множество из одного или более атрибутов, значения которых определяют каждый экземпляр объекта. Для книги атрибуты Автор и Название совместно образуют идентификатор. В тоже время Год издания и Число страниц идентификаторами быть не могут - ни врозь, ни совместно, так как не определяют объект. Объект может иметь и несколько идентификаторов, каждый из которых составлен из одного или нескольких атрибутов. Один из них может быть выбран как привилегированный для соответствующей ситуации.

Объект может быть представлен вместе со своими атрибутами несколькими различными способами. Графически объект может быть изображен в виде рамки, содержащей имя объекта и имена атрибутов. Атрибуты, которые составляют привилегированный идентификатор объекта, могут быть выделены (например, символом * слева от имени атрибута):

Еще одним способом представления объекта информационной модели является таблица. В этой интерпретации каждый экземпляр объекта является строкой в таблице, а значения атрибутов, соответствующих каждому экземпляру, - клетками строки.

Таблица как представление информационной модели

Автор	Книга
	Название	Год издания	Число страниц
Грин А. Стивенсон Р. П. Скотт В. Гончаров И. А.	Бегущая по волнам Остров сокровищ Ричард Львиное Сердце Обрыв	1988 1992 1993 1986	279 269 349 598

Можно классифицировать атрибуты по принадлежности к одному из трех различных типов:

Описательные атрибуты представляют факты, внутренне присущие каждому экземпляру объекта. Если значение описательного атрибута изменится, то это говорит о том, что некоторая характеристика экземпляра изменилась, но сам экземпляр остался прежним.

Указательные атрибуты могут использоваться как идентификаторы (или часть идентификаторов) экземпляра. Если значение указывающих атрибутов изменяется, то это говорит лишь о том, что новое имя дается тому же самому экземпляру.

Вспомогательные атрибуты используются для связи экземпляра одного объекта с экземпляром другого объекта.

5.3 Связи между объектами

В реальном мире между предметами существуют различные отношения. Если предметы моделируются как объекты, то отношения, которые систематически возникают между различными видами объектов, отражаются в информационных моделях как связи. Каждая связь задается в модели определенным именем. Связь в графической форме представляется как линия между связанными объектами и обозначается идентификатором связи.

Существует три вида связи: один-к-одному, один-ко-многим и многие-ко-многим.

Связь один-к-одному существует, когда один экземпляр одного объекта связан с единственным экземпляром другого. Связь один-к-одному обозначается стрелками <и>.

Рис.5.2. Пример связи «одии-к-одному»

Связь один-ко-многим существует, когда один экземпляр первого объекта связан с одним (или более) экземпляром второго объекта, но каждый экземпляр второго объекта связан только с одним экземпляром первого. Множественность связи изображается двойной стрелкой >>.

Рис. 5.3. Пример связи «один-ко-многим»

Связь многие-ко-многим существует, когда один экземпляр первого объекта связан с одним или большим количеством экземпляров второго и каждый экземпляр второго связан с одним или многими экземплярами первого. Этот тип связи изображается двусторонней стрелкой -

Рис. 5.4. Пример связи «многие-ко-многим»

6. Компьютерные сети

6.1 Введение

Компьютерная сеть - объединение нескольких ЭВМ для совместного решения информационных, вычислительных, учебных и других задач.

Одна из первых возникших при развитии вычислительной техники задач, потребовавшая создания сети хотя бы из двух ЭВМ - обеспечение многократно большей, чем могла дать в то время одна машина, надежности при управлении ответственным процессом в режиме реального времени. Так, при запуске космического аппарата необходимые темпы реакции на внешние события превосходят возможности человека, и выход из строя управляющего компьютера грозит непоправимыми последствиями. В простейшей схеме работу этого компьютера дублирует второй такой же, и при сбое активной машины содержимое ее процессора и ОЗУ очень быстро перебрасывается на вторую, которая подхватывает управление (в реальных системах все, конечно, происходит существенно сложнее).

Сети ЭВМ породили существенно новые технологии обработки информации -сетевые технологии. В простейшем случае сетевые технологии позволяют совместно использовать ресурсы - накопители большой емкости, печатающие устройства, доступ в Internet, базы и банки данных. Наиболее современные и перспективные подходы к сетям связаны с использованием коллективного разделения труда при совместной работе с информацией - разработке различных документов и проектов, управлении учреждением или предприятием и т.д.

Компьютерные сети и сетевые технологии обработки информации стали основой для построения современных информационных систем. Компьютер ныне следует рассматривать не как отдельное устройство обработки, а как «окно» в компьютерные сети, средство коммуникаций с сетевыми ресурсами и другими пользователями сетей.

6.2 Локальные сети

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА

Локальные сети (ЛС ЭВМ) объединяют относительно небольшое число компьютеров (обычно от 10 до 100, хотя изредка встречаются и гораздо большие) в пределах одного помещения (учебный компьютерный класс), здания или учреждения (например, университета). Традиционное название - локальная вычислительная сеть (ЛВС) - скорее дань тем временам, когда сети в основном использовались для решения вычислительных задач; сегодня же в 99% случаев речь идет исключительно об обмене информацией в виде текстов, графических и видео-образов, числовых массивов. Полезность ЛС объясняется тем, что от 60% до 90% необходимой учреждению информации циркулирует внутри него, не нуждаясь в выходе наружу.

Благодаря относительно небольшим длинам линий связи (как правило, не более 300 метров), по ЛС можно передавать информацию в цифровом виде с высокой скоростью передачи. На больших расстояниях такой способ передачи неприемлем из-за неизбежного затухания высокочастотных сигналов, в этих случаях приходятся прибегать к дополнительным техническим (цифро-аналоговым преобразованиям) и программным (протоколам коррекции ошибок и др.) решениям.

Характерная особенность ЛС - наличие связывающего всех абонентов высокоскоростного канала связи для передачи информации в цифровом виде. Существуют проводные и беспроводные (радио) каналы. Каждый из них характеризуется определенными значениями существенных с точки зрения организации ЛС параметров:

* скорости передачи данных;

* максимальной длины линии;

* помехозащищенности;

* механической прочности;

* удобства и простоты монтажа;

* стоимости.

В настоящее время обычно применяют четыре типа сетевых кабелей:

* коаксиальный кабель;

* незащищенная витая пара;

* защищенная витая пара;

* волоконно-оптический кабель.

КОНФИГУРАЦИИ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

И ОРГАНИЗАЦИЯ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ

В простейших сетях с небольшим числом компьютеров они могут быть полностью равноправными; сеть в этом случае обеспечивает передачу данных от любого компьютера к любому другому для коллективной работы над информацией. Такая сеть называется одноранговой.

Однако в крупных сетях с большим числом компьютеров оказывается целесообразным выделять один (или несколько) мощных компьютеров для обслуживания потребностей сети (хранение и передачу данных, печать на сетевом принтере). Такие выделенные компьютеры называют серверами; они работают под управлением сетевой операционной системы. В качестве сервера обычно используется высокопроизводительный компьютер с большим ОЗУ и винчестером (или даже несколькими винчестерами) большой емкости. Клавиатура и дисплей для сервера сети не обязательны, поскольку они используются очень редко (для настройки сетевой ОС).

Все остальные компьютеры называются рабочими станциями. Рабочие станции могут не иметь винчестерских дисков или даже дисководов вовсе. Такие рабочие станции называют бездисковыми. Первичная загрузка ОС на бездисковые рабочие станции происходит по локальной сети с использованием специально устанавливаемых на сетевые адаптеры рабочих станций микросхем ПЗУ, хранящих программу начальной загрузки.

ЛС в зависимости от назначения и технических решений могут иметь различные конфигурации (или, как еще говорят, архитектуру, или топологию).

В кольцевой ЛС информация передается по замкнутому каналу. Каждый абонент непосредственно связан с двумя ближайшими соседями, хотя в принципе способен связаться с любым абонентом сети.

В звездообразной (радиальной) ЛС в центре находится центральный управляющий компьютер, последовательно связывающийся с абонентами и связывающий их друг с другом.

В шинной конфигурации компьютеры подключены к общему для них каналу (шине), через который могут обмениваться сообщениями.

В древовидной - существует «главный» компьютер, которому подчинены компьютеры следующего уровня, и т.д.

Кроме того, возможны конфигурации без отчетливого характера связей; пределом является полносвязная конфигурация, когда каждый компьютер в сети непосредственно связан с любым другим компьютером.

Процесс передачи данных по сети определяют шесть компонент:

* компьютер-источник;

* блок протокола;

* передатчик;

* физическая кабельная сеть;

* приемник;

* компьютер-адресат.

Сетевой адрес состоит из нескольких компонентов:

* номера сети;

* адреса станции в сети;

* идентификатора программы на рабочей станции.

Номер сети - это номер сегмента сети (кабельного хозяйства), определяемого системным администратором при установке сетевой ОС.

Адрес станции - это число, являющееся уникальным для каждой рабочей станции. Уникальность адресов при использовании адаптеров Ethernet обеспечивается заводом-изготовителем плат (адрес станции записывается в микросхеме ПЗУ адаптера). На адаптерах ArcNet адрес станции устанавливается при помощи перемычек или микропереключателей.

Идентификатор программы на рабочей станции называется сокет. Это - число, которое используется для адресации пакетов в конкретной программе, работающей на станции под управлением многозадачной операционной системы (типа Windows, OS/2). Каждая программа для того, чтобы посылать или получать данные по сети, должна получить свой, уникальный для данной рабочей станции, идентификатор - сокет.

6.3 Глобальные сети

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ

Глобальные информационные сети - одно из основных достижений человечества в области информационных технологий, главная примета вхождения в эпоху информационного общества. Делая возможным оперативное общение на огромных расстояниях (в разных странах и даже на континентах), глобальные сети уже изменили для многих людей характер и возможности образования и профессиональной деятельности. Потенциальные возможности глобальных сетей пока используются лишь в малой мере, но эта область прикладной информатики является самой динамичной.

Пользователю глобальной сети доступен, по существу, весь мир. Самой известной глобальной сетью является Internet, представляющий собой объединение огромного числа сетей - национального, отраслевого и еще более узкого - регионального уровня. «Малые» сети имеют выходы (шлюзы) в сети более высокого ранга, в согласованную систему адресов и протоколов (правил) передачи данных, и так образуют Internet - сеть сетей.

В глобальных сетях существует два режима информационного обмена. Диалоговый режим (или режим реального времени), в котором пользователь, получив порцию информации, может немедленно на нее реагировать, подавать новую команду в сеть для получения новых порций информации, называется on-line. В пакетном режиме, называемом off-line, пользователь передает порцию информации (или принимает ее) в коротком сеансе связи и на некоторое время отключается от сети. Это время может быть достаточно длительным - от нескольких часов до нескольких суток - пока его запрос не будет обработан. On-line похож на разговор по телефону, off-line- на обмен обычными письмами по почте.

Конечный пользователь включается в обмен по своему усмотрению в желаемое для него время. Он соединяется с ближайшей к нему хост-машиной, которая, в свою очередь, соединяется с другими хост-машинами в соответствии с адресом, указываемым пользователем сети, затем происходит обмен информацией. Если пользователь работает в режиме on-line, то он сразу получает поступающую информацию и подает новые команды в сеть для получения новых порций информации. В режиме off-line пользователь сети при соединении с хост-машиной лишь передает свои сообщения и получает поступившую для него к этому времени информацию. Хост-машина хранит поступившие на нее сообщения до тех пор, пока пользователь их не заберет (или ограничивается разумным сроком хранения). Хост-машины постоянно связаны между собой по выделенным каналам связи и обмениваются информацией в автоматическом режиме под управлением специальных программ.

Рис. 6.1. Структура глобальной компьютерной сети

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА И ПРОТОКОЛЫ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ

Основное техническое устройство сети - компьютер. Подавляющая часть компьютеров в сети являются абонентскими пунктами, т.е. обслуживают конечных пользователей - потребителей информации. В этом качестве компьютер выполняет следующие функции: хранение и обработку информации, подготовку ее к передаче, печать (при необходимости) на бумажном носителе, управление процессом передачи информации.

Транспортной основой глобальных сетей выступают коммутируемые и выделенные телефонные линии и каналы (как обычные, медные, так и оптоволоконные и спутниковые). Соединения в коммутируемых линиях происходят через стандартное оборудование телефонных станций (коммутаторы) при наборе телефонных номеров. Выделенные каналы (они соединены постоянно) используются, например, при организации сетей с on-line сервисом, особенно для соединения серверов, находящихся в разных городах.

Непременным оборудованием абонентского пункта является модем - устройство преобразования цифровых сигналов в аналоговые и наоборот. Преобразование это необходимо (по крайней мере, в настоящее время) при использовании телефонных линий связи общего назначения, приспособленных к передаче аналоговых сигналов звуковой частоты (т.е. модулированного электрического тока).

Основные характеристики модемов:

* максимальная скорость передачи данных;

* поддерживаемый сетевой протокол;

* протокол коррекции ошибок.

Поскольку сеть объединяет компьютеры различных типов, работающие в разнородных ОС, важнейшим моментом при организации сети является система протоколов. Протокол - совокупность правил, согласно которым компьютеры взаимодействуют между собой. Различные компьютеры сети могут использовать совершенно разные программные средства, лишь бы пересылаемые данные соответствовали правилам протоколов. Международный стандарт OSI/ISO (OSI - Open Systems Interconnect, ISO - название международной организации по стандартизации) предусматривает 7 уровней протоколов, в числе которых отметим протоколы сетевого уровня, обеспечивающие сетевые режимы передачи данных (самый распространенный из них называется Х.25), транспортные протоколы, отвечающие за обмены между разными хост-машинами сети. При этом обмен ведется чаще всего пакетами, т.е. группами сообщений. Прикладные протоколы обслуживают задачи пользователя по передаче данных и доступу к сетевым ресурсам. Межсетевые протоколы позволяют организовать пересылку сообщений между разными глобальными сетями. Самый популярный из них IP (Internet Protocol) задействован в гигантской мировой суперсети Internet.

Важную роль в глобальных сетях играют, так называемые, маршрутизаторы (роу-теры) - мощные компьютеры или специализированные интеллектуальные устройства, соединяющие между собой различные сети или участки сети. Впрочем, иногда маршрутизатором называют и программу, функционирующую на сетевом компьютере.

6.4 Электронная почта

Исторически первый и наиболее распространенный вид работы в телекоммуникационных сетях - межперсональный обмен текстовыми сообщениями, известный под названием «электронная почта» (или E-mail). Как и при обычной почтовой связи, здесь происходит обмен сообщениями, но не на бумаге, а в виде файлов. Преимущества электронной почты над обычной велики: многократно большая скорость доставки информации (так, сообщение из России в США обычно доставляется не более, чем за 2 часа), компьютерная подготовка сообщений, передача информации в виде, допускающем последующую ее компьютерную обработку получателем (редактирование, помещение в различные документы, базы данных и т.д.).

Система электронной почты организуется как совокупность региональных узловых станций, периодически связывающихся друг с другом для обмена корреспонденцией, для чего могут использоваться различные каналы связи. Для того, чтобы попасть с машины А на машину В, сообщение может проходить через несколько промежуточных узлов. На каждом узле работают специальные программы, которые получают сообщение и разбираются, куда его отправлять дальше.

Абоненты электронной почты обслуживаются «электронными узлами связи». Для обмена корреспонденцией между абонентом и узлом, как правило, используется обычная телефонная линия.

Абонентская станция состоит из персонального компьютера и модема. Каждый пользователь имеет свой почтовый ящик с уникальным адресом. Все письма, посланные по этому адресу, попадают в почтовый ящик пользователя. Пользователь может просмотреть, уничтожить или сохранить письма. Естественно, любой пользователь может послать письмо по любому адресу или сразу по нескольким адресам.

В отличие от других способов обмена информацией между ЭВМ, система электронной почты дает возможность такого обмена с любой удаленной машиной при фактической связи только с ближайшим узлом системы. Послание хранится на сервере получателя до того момента, когда он выйдет на связь. При этом, может возникнуть значительная транспортная задержка: от нескольких часов до нескольких суток.

Сообщение состоит из текста, который надо передать адресату, и заголовка, который приписывается в начале сообщения и содержит несколько строчек необходимой информации об этом сообщении: дату отправления, адрес, обратный адрес, тему сообщения и другие

Остановимся более подробно на том, как указать в сообщении адрес, чтобы почтовые системы его поняли и доставили письмо по назначению. Он состоит из адреса машины и имени адресата, которое отделено знаком @. Слева от @ стоит имя адресата, точнее, имя файла - почтового ящика на его машине, из которого он забирает письма. Обычно пользователь называет свой почтовый ящик тем же именем, под которым он зарегистрирован в системе. Чаще всего это имя, фамилия или инициалы.

Часть справа от @ называется доменом и описывает местонахождение этого почтового ящика (машину или организацию). Рассматривая домен справа налево и разбив его по точкам на отдельные слова, получим поддомены. поочередно уточняющие. где этот почтовый ящик искать. Самый правый поддомен (в нашем случае su) называется доменом верхнего уровня и чаще всего обозначает код страны, в которой находится адресат. Код su сохранился от названия «Советский Союз», а, например, код uk обозначает Великобританию, fr - Францию и т.д.

Домен верхнего уровня - не всегда код страны. В Соединенных Штатах встречаются такие, например, домены верхнего уровня, как edu - научные и учебные организации, или gov - правительственные учреждения: lamaster@george.arc.nasa.gov. Также можно встретить домен верхнего уровня, обозначающий название сети, в которой находится адресат, например, bitnet: DLV@cunyvmsl.bitnet.

С помощью электронной почты можно пересылать не только текст, но и двоичные файлы - программы, графические файлы, архивы и т.д.

Помимо персональных сообщений по электронной почте от одного человека другому, важную роль играют телеконференции, реализующие принцип общения «многие-со-многнми». Идея телеконференции заключается в том, что все, кто имеет что-то сказать, посылают сообщения, как бы вывешивают записки на доску объявлений, и каждый может читать те записки, которые его интересуют, пропуская неинтересные. Поскольку ежедневно рассылается огромное количество сообщений, один человек не может не только их все читать, но даже просматривать все названия. Поэтому каждый участник конференции заранее отмечает, какие темы его интересуют, и ему приходят сообщения только на эти темы.

В среде Windows одна из широко распространенных программ электронной почты - Outlook Express. Собственно, Outlook Express представляет нечто большее, чем просто программу просмотра и подготовки электронной почты Это - среда, поддерживающая различные виды деятельности, например, планирование и организацию личной деятельности и групповых мероприятий, учет. Для этого введены папки «Дневник», «Заметки», «Календарь», «Контакты».

Для чтения электронной почты с помощью Outlook Express необходим доступ к системе почты, использующей протоколы SMTP и РОРЗ или IMAP, который можно получить у поставщиков (провайдеров) услуг Internet в любом регионе. При этом соединение с почтовой системой может происходить как с помощью модема по коммутируемой телефонной линии, так и по локальной сети.

7. Компьютерные вирусы

7.1 Что такое компьютерный вирус

Среди огромного разнообразия видов компьютерных программ существует одна их разновидность, заслуживающая особого упоминания. Главное отличие этих программ от всех остальных состоит в том, что они вредны, т.е. предназначены для нанесения ущерба пользователям ЭВМ. Это - компьютерные вирусы.

Компьютерным вирусом называется программа, обычно малая по размеру (от 200 до 5000 байт), которая самостоятельно запускается, многократно копирует свой код, присоединяя его к кодам других программ («размножается») и мешает корректной работе компьютера и/или разрушает хранимую на магнитных дисках информацию (программы и данные).

Существуют вирусы и менее «злокачественные», вызывающие, например, переустановку даты в компьютере, музыкальные (проигрывающие какую-либо мелодию), приводящие к появлению на экране дисплея какого-либо изображения или к искажениям в отображении дисплеем информации, «осыпанию букв» и т.д.

Создание компьютерных вирусов можно квалифицировать с юридической точки зрения как преступление.

Интересны причины, заставляющие квалифицированных программистов создавать компьютерные вирусы, ведь эта работа не оплачивается и не может принести известности. По-видимому, для создателей вирусов это способ самоутверждения, способ доказать свою квалификацию и способности. Созданием компьютерных вирусов занимаются квалифицированные программисты, по тем или иным причинам не нашедшие себе места в полезной деятельности, в разработке прикладных программ, страдающие болезненным самомнением или комплексом неполноценности. Становятся создателями вирусов и те молодые программисты, которые испытывают. трудности в общении с окружающими людьми, не встречают признания со стороны специалистов, которым чужды понятие морали и этики компьютерной сферы деятельности.

Существуют и такие специалисты, которые отдают свои силы и талант делу борьбы с компьютерными вирусами. В России - это известные программисты Д.Лозинский, Д.Мостовой, П.А.Данилов, Н.Безруков и др. Ими исследованы многие компьютерные вирусы, разработаны антивирусные программы, рекомендации по мерам, предотвращающим уничтожение вирусами компьютерной информации и распространение эпидемий компьютерных вирусов.

Главную опасность, по их мнению, представляют не сами по себе компьютерные вирусы, а пользователи компьютеров и компьютерных программ, не подготовленные к встрече с вирусами, ведущие себя неквалифицированно при встрече с симптомами заражения компьютера, легко впадающие в панику, что парализует нормальную работу.

7.2 Разновидности компьютерных вирусов

Рассмотрим подробнее основные особенности компьютерных вирусов, характеристики антивирусных программ и меры зашиты программ и данных от компьютерных вирусов в наиболее распространенной операционной системе MS DOS.

По приближенным оценкам к 1997 г. существовало около 7000 различных вирусов. Подсчет их осложняется тем, что многие вирусы мало отличаются друг от друга, являются вариантами одного и того же вируса и, наоборот, один и тот же вирус может менять свой облик, кодировать сам себя. На самом деле основных принципиальных идей, лежащих в основе вирусов, не очень много (несколько десятков).

Среди всего разнообразия вирусов следует выделить следующие группы:

*загрузочные (boot) вирусы заражают программу начальной загрузки компьютера, хранящуюся в загрузочном секторе дискеты или винчестера, и запускающиеся при загрузке компьютера;

* файловые вирусы в простейшем случае заражают пополняемые файлы, но могут распространяться и через файлы документов (системы Word for Windows) и даже вообще не модифицировать файлы, а лишь иметь к ним какое-то отношение;

* загрузочно-файловые вирусы имеют признаки как загрузочных, так и файловых вирусов;

* драйверные вирусы заражают драйверы устройств компьютера или запускают себя путем включения в файл конфигурации дополнительной строки.

Из вирусов, функционирующих не на персональных компьютерах под операционной системой MS DOS, следует упомянуть сетевые вирусы, распространяющиеся в сетях, объединяющих многие десятки и сотни тысяч компьютеров.

Рассмотрим принципы функционирования загрузочных вирусов. На каждой дискете или винчестере имеются служебные сектора, используемые операционной системой для собственных нужд, в том числе сектор начальной загрузки. В нем помимо информации о дискете (число дорожек, число секторов и пр.) хранится небольшая программа начальной загрузки, о которой уже рассказывалось в настоящей главе.

Простейшие загрузочные вирусы, резидентно находясь в памяти зараженного компьютера, обнаруживают в дисководе незараженную дискету и производят следующие действия:

* выделяют некоторую область дискеты и делают ее недоступной операционной системе (помечая, например, как сбойную - bad);

* замещают программу начальной загрузки в загрузочном секторе дискеты, копируя корректную программу загрузки, а также свой код, в выделенную область дискеты;

* организуют передачу управления так, чтобы вначале выполнялся бы код вируса и лишь затем - программа начальной загрузки.

Магнитные диски компьютеров винчестерского типа обычно бывают разбиты на несколько логических разделов. Программы начальной загрузки при этом имеются в MBR (Master Boot Record - главная загрузочная запись) и в загрузочном разделе винчестера, заражение которых может происходить аналогично заражению загрузочного сектора дискеты. Однако, программа начальной загрузки в MBR использует при переходе к программе загрузки загрузочного раздела винчестера, так называемую таблицу разбиения (Partition table), содержащую информацию о положении загрузочного раздела на диске. Вирус может исказить информацию Partition table и таким образом передать управление своему коду, записанному на диск, формально не меняя загрузочной программы.

Теперь рассмотрим принципы функционирования файловых вирусов. Файловый вирус не обязательно является резидентным, он может, например, внедриться в код исполняемого файла. При запуске зараженного файла вирус получает управление, выполняет некоторые действия и возвращает управление коду, в который он был внедрен. Действия, которые выполняет вирус, включают поиск подходящего для заражения файла, внедрение в него так, чтобы получить управление при запуске файла, произведение некоторого эффекта, например, звукового или графического. Если файловый вирус резидентный, то он устанавливается в памяти и получает возможность заражать файлы и проявляться независимо от первоначального зараженного файла.

...